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Elektromechanisches Bandfilter Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches
Bandfilter mit mehreren mechanischen Resonatoren, die über auf Zug und Druck beanspruchte
Koppelelemente miteinander gekoppelt sind und dessen Endresonatoren mit vorzugsweise
elektrostriktiv wirkenden Wandlersystemen zur Umwandlung der elektrischen in die
mechanischen Schwingungen versehen sind, und bei dem die mittleren Längsachsen der
einzelnen Resonatoren zueinander parallel und in gegeneinander versetzten räumlichen
Ebenen verlaufen.
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Zum Aufbau elektromechanischer Bandfilter werden bekanntlich mehrere
mechanische Resonatoren über mechanische Koppelelemente miteinander gekoppelt. Die
Endresonatoren derartiger Filter sind mit Wandlerelementen versehen, die die Umwandlung
der elektrischen in die mechanische Energie ermöglichen. Wegen ihres geringen Raumbedarfes
und wegen der hohen Güte der einzelnen Resonatoren sind mechanische Filter den mit
konzentrierten Schaltelementen aufgebauten Filtern erheblich überlegen. Bei sehr
hohen Anforderungen an die Dämpfungscharakteristik des Filters, d. h. also bei einem
verhältnismäßig breiten Durchlaßbereich und verhältnismäßig steilem Anstieg der
Dämpfungsflanken, sind in der Regel mehrere mechanische Resonatoren in Kette zu
schalten. Dem mechanischen Teil des Filters sind zumeist aus konzentrierten Schaltelementen
bestehende Resonanzkreise vor-und/oder nachgeschaltet. Man ist im allgemeinen darauf
bedacht, das aus mechanischen und elektrischen Resonanzkreisen bestehende Filter
als geschlossene Baueinheit in einem gemeinsamen Gehäuse unterzubringen, durch das
das Filter gegenüber mechanischen Einwirkungen und gegenüber eventuell auftretender
störender elektromagnetischer Energie abgeschirmt ist. Bei den elektrischen Endkreisen
erfordern vor allem die Spulen verhältnismäßig viel Raum im Vergleich zu den übrigen
Elementen; oder sie überragen zumeist die Höhe des mechanischen Teiles des Filters
erheblich, wodurch der Vorteil des geringen Raumbedarfes für den mechanischen Teil
des Filters zumindest teilweise wieder aufgegeben wird.
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Es ist bereits ein mechanisches Filter bekanntgeworden, bei dem zur
Erzielung eines möglichst flachen Aufbaues die einzelnen, in der mechanischen Wirkungsweise
aufeinanderfolgenden Resonatoren in zwei nebeneinanderliegenden Reihen angeordnet
sind. Die Resonatoren sind dabei als Längsschwinger ausgebildet, die Kopplung erfolgt
über Längsschwingungen ausführende Koppelelemente, die an den einander zugewandten
Stirnseiten der Resonatoren befestigt sind. Die Anordnung der Resonatoren ist dabei
so gewählt, daß jeweils die Mittelachsen der in der einen Reihe liegenden Resonatoren
etwa in den zwischen zwei Resonatoren der anderen Reihe verbleibenden Zwischenraum
fallen. Abgesehen davon, daß Längsschwinger bei verhältnismäßig tiefen Frequenzen
eine verhältnismäßig große Längserstreckung haben müssen, ist für die Längsabmessung
dieses bekannten Filters mindestens die doppelte Länge eines einzelnen Resonators
einschließlich der Länge der Koppelelemente erforderlich.
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Weiterhin ist ein mechanisches Filter bekannt, bei dem plattenförmige
oder walzenförmige Resonatoren in zwei oder mehreren parallelen Reihen angeordnet
sind. Die Kopplung der einzelnen Resonatoren erfolgt über Längskoppler. Um jeweils
den letzten Resonator der einen Reihe mit dem ersten Resonator der anderen Reihe
zu verbinden, ist ein Resonator vorgesehen, der die Umkehr der Fortbewegungsrichtung
der mechanischen Schwingungen bewirkt. Aus diesem Grund muß für den die Umkehr der
mechanischen Schwingungen bewirkenden Resonator ein gesondertes Halteelement vorgesehen
werden, wodurch sich wiederum der Aufbau schwieriger gestaltet. Darüber hinaus ist
es erforderlich, bei diesem Resonator die Koppelelemente in geeigneter Weise anzubringen,
um die Impedanzanpassung zu gewährleisten. Wegen der Verwendung von plattenförmigen
Resonatoren bzw. längsschwingenden, walzenförmigen Resonatoren ist dieses Filter
der Realisierung im Bereich verhältnismäßig tiefer Frequenzen nur schwer zugänglich,
da in diesem Fall die Resonanzkörper verhältnismäßig unhandliche Formen annehmen
müßten.
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Weiterhin sind mechanische Filter bekanntgeworden, die aus Längs-
oder Torsionsschwingungen ausführenden Resonatoren bestehen. Die Kopplung
der
einzelnen Resonatoren erfolgt über Längsschwingungen ausführende Koppelelemente.
Ein besonders raumsparender Aufbau ist bei diesen Filtern jedoch nicht vorgesehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorerwähnten Schwierigkeiten
in verhältnismäßig einfacher Weise zu begegnen. Unter anderem soll durch eine besondere
Anordnung der mechanischen Resonatoren eine gedrängte und kompakte Bauweise des
Gesamtfilters erreicht werden, wodurch auch eine bessere Raumausnutzung von Baugruppen,
die derartige mechanische Filter enthalten, beispielsweise innerhalb eines Nachrichten-Übertragungssystems
erzielt werden kann.
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Ausgehend von einem elektromechanischen Bandfilter mit mehreren mechanischen
Resonatoren, die über auf Zug und Druck beanspruchte Koppelelemente miteinander
gekoppelt sind und dessen Endresonatoren mit vorzugsweise elektrostriktiv wirkenden
Wandlersystemen zur Umwandlung der elektrischen in die mechanischen Schwingungen
versehen sind und bei dem die mittleren Längsachsen der einzelnen Resonatoren zueinander
parallel und in gegeneinander versetzten räumlichen Ebenen verlaufen, wird diese
Aufgabe gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß die einzelnen Resonatoren als
Biegeschwingungen ausführende, balkenförmige Resonatoren ausgebildet sind, deren
Kopplung durch auf die Längsachsen der Resonatoren senkrecht stehende Koppelelemente
erfolgt, daß die mittlere Längsachse wenigstens eines Resonators innerhalb eines
durch zwei Ebenen begrenzten Bereiches liegt, die in der Schwingungsrichtung der
Resonatoren verlaufen und die die mittleren Längsachsen der diesem Resonator unmittelbar
vor- und nachgeschalteten Resonatoren enthalten, und daß in an sich bekannter Weise
die mittlere Längsachse dieses Resonators außerhalb der Ebene liegt, die von den
mittleren Längsachsen der diesem Resonator unmittelbar vor- und nachgeschalteten
Resonatoren gebildet ist.
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Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn zumin-dest zwei
der in der gleichen Ebene liegenden Resonatoren über auf Biegung oder Scherung beanspruchte
Koppelelemente miteinander gekoppelt sind.
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Zur Verkopplung der einzelnen Resonatoren ist es günstig, wenn die
zwischen aufeinanderfolgenden Resonatoren liegenden Koppelelemente im Bereich maximaler
Bewegungsamplitude an den Resonatoren befestigt sind.
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In den Filtersperrbereichen liegende Dämpfungspole lassen sich in
einfacher Weise dadurch erzeugen, daß an den Resonatoren in Bereichen außerhalb
der Schwingungsknoten, zusätzliche Koppelelemente angebracht sind, die einander
in der mechanischen Wirkungsweise aufeinanderfolgende Resonatoren überbrücken. Hierbei
ist es günstig, wenn die zusätzlichen Koppelelemente eine geradzahlige Anzahl von
Resonatoren überbrücken oder wenn die zusätzlichen Koppelelemente eine ungeradzahlige
Anzahl von Resonatoren überbrücken.
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Je nachdem, ob die Dämpfungspole unter- und/ oder oberhalb des Filterdurchlaßbereiches
liegen sollen, lassen sich . gleichphasig oder gegenphasig schwingende Abschnitte
unterschiedlicher Resonatoren durch zusätzliche Koppelelemente miteinander verkoppeln.
An Hand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend noch näher erläutert.
Bei den in den F i g.1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen sind die einzelnen
Resonatoren perspektivisch stark verkürzt als Biegeresonatoren dargestellt, jedoch
läßt sich der Erfindungsgedanke sinngemäß auch auf Filter anwenden, deren Resonatoren
von der Biegeschwingung abweichende Schwingungen ausführen.
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Die F i g.1 zeigt ein mechanisches Filter, das aus sieben mechanischen
Resonatoren 1 bis 7 besteht. Die Anordnung der einzelnen Resonatoren ist dabei so
gewählt, daß die mittleren Längsachsen der Resonatoren 1, 3, 5 und 7 in einer gemeinsamen
Ebene liegen, während die mittleren Längsachsen der Resonatoren 2, 4 und 6 in einer
darüberliegenden Ebene liegen. Die in ihrer mechanischen Wirkungsweise aufeinanderfolgenden
Resonatoren sind zusätzlich in der horizontalen Richtung gegeneinander versetzt.
Die einander folgenden Resonatoren sind durch Koppelelemente 12 miteinander gekoppelt,
die in Form von Koppeldrähten ausgebildet sind und in Bereichen maximaler Bewegungsamplitude
an den Resonatoren befestigt sind. In jeweils einem Schwingungsknoten der Resonatoren
2, 4 und 6 sind die Haltedrähte H befestigt, die der Verankerung des Filters in
einem zur besseren Übersicht nicht näher dargestellten Gehäuse dienen. In die Endresonatoren
1 und 7 sind elektromechanische Wandlersysteme W eingebracht, die aus Plättchen
eines elektrostriktiv aktiven Materials bestehen und die die Anregung von Biegeschwingungen
über den sogenannten direkten piezoelektrischen Effekt ermöglichen. Die Wirkungsweise
derartiger Wandlersysteme ist bereits im älteren Patent 1203 321 eingehend erläutert,
auf das hiermit ausdrücklich hingewiesen wird. Durch eine elektrische Wechselspannung
kann der Resonator 1 bei seiner Biegeeigenfrequenz über das Wandlersystem W zu Biegeschwingungen
in Richtung des auf seiner Stirnseite eingezeichneten Doppelpfeiles angeregt werden.
Über die Koppeldrähte 12 werden diese Biegeschwingungen auf die nächstfolgenden
Resonatoren übertragen, die ebenfalls in Richtung der eingetragenen Doppelpfeile
schwingen. Am Wandlersystem W des Resonators 7 entsteht eine Ausgangswechselspannung.
Die in der F i g.1 nicht näher dargestellten elektrischen Endkreise des Filters
sind dem Resonator 1 vorgeschaltet bzw. dem Resonator 7 nachgeschaltet. Da die Koppelelemente
12 in Bereichen maximaler Bewegungsamplitude an den Resonatoren befestigt sind,
werden sie bei der Verkopplung der in den Resonatoren wirksamen Biegeschwingungen
auf Zug und Druck beansprucht, d. h., sie wirken als Uängskoppler. Wie der F i g.1
zu entnehmen ist, sind die einzelnen Resonatoren in wenigstens zwei unterschiedlichen
räumlichen Richtungen gegeneinander versetzt, wenn unter unterschiedlichen räumlichen
Richtungen parallele Geraden zu unterschiedlichen Achsen eines rechtwinkeligen räumlichen
Koordinatensystems zu verstehen sind, dessen eine Achse beispielsweise mit der mittleren
Längsachse des Resonators 1 zusammenfällt, dessen andere Achse in der dazu senkrechten
horizontalen Richtung und dessen dritte Achse in der dazu senkrechten vertikalen
Richtung verläuft. Durch diese Anordnung der Resonatoren läßt sich eine kompakte
und raumsparende Aufbauweise des gesamten Filters erreichen, wenn die beispielsweise
von den in F i g. 1 mit den
Doppelpfeilen versehenen Stirnflächen
der Resonatoren eingenommene Gesamtfläche der Grundfläche einer oder beider zum
Filter gehörender Spulen entspricht.
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Wenn die dem Filterdurchlaßbereich benachbarten Dämpfungsflanken einen
besonders steilen Anstieg haben sollen, dann lassen sich durch die Anbringung zusätzlicher
Koppelelemente 13 Dämpfungspole im Sperrbereich des Filters erzeugen. Die zusätzlichen
Koppelelemente 13 sind in Bereichen außerhalb der Schwingungsknoten an den Resonatoren
1 und 4 bzw. 4 und 7 befestigt, so daß beispielsweise die Resonatoren 2 und 3 bzw.
die Resonatoren 5 und 6 überbrückt werden. Die zusätzlichen Koppelelemente 13 sind
im Ausführungsbeispiel der F i g.1 derart an den Resonatoren befestigt, daß sie
gegenphasig schwingende Abschnitte der Resonatoren 1 und 4 bzw. der Resonatoren
4 und 7 miteinander verbinden. Die gegenphasige Verkopplung läßt sich in der Weise
erreichen, daß der Koppeldraht 13 am Resonator 1 innerhalb des von den beiden Schwingungsknoten
begrenzten Bereiches befestigt wird, während er am Resonator 4 innerhalb des zwischen
dem Resonatorende und einem der Schwingungsknoten liegenden Bereiches befestigt
wird. Diese Abschnitte schwingen zueinander in Gegenphase, da sich das Vorzeichen
der Bewegungsrichtung - in Längsrichtung des Schwingers betrachtet - an den Schwingungsknoten
umkehrt. Eine derartige Anordnung liefert zwei Dämpfungspole, von denen der eine
unterhalb und der andere oberhalb des Filterdurchlaßbereiches liegt. Das Entstehen
zweier Dämpfungspole läßt sich durch die gegenphasige Überbrückung einer geradzahligen
Anzahl von Resonatoren begründen. Eine entsprechende gleichphasige Zusatzverkopplung
ergäbe Dämpfungspole bei komplexen Frequenzen und kann zur Realisierung eines besonderen
Laufzeitverhaltens herangezogen werden. Die Koppelelemente 13 werden bei der Zusatzverkopplung
sowohl auf Zug und Druck als auch auf Biegung beansprucht.
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In ähnlicher Weise können die zusätzlichen Koppeldrähte 13 auch an
den Resonatoren 1 und 3 (unter Überspringen des Resonators 2) und an den Resonatoren
5 und 7 (unter Überspringen des Resonators 6) befestigt sein. In diesem Fall wird
eine ungeradzahlige Anzahl von Resonatoren durch die zusätzlichen Koppelelemente
13 übersprungen. Wenn dabei die Koppelelemente 13 gleichphasig schwingende Abschnitte
der Resonatoren 1 und 3 (bzw. 5 und 7) miteinander verkoppeln, dann entsteht ein
Dämpfungspol oberhalb des Filterdurchlaßbereiches. Wenn hingegen gegenphasig schwingende
Abschnitte der Resonatoren 1 und 3 miteinander verkoppelt werden, dann entsteht
ein Dämpfungspol unterhalb des Filterdurchlaßbereiches. Diese beiden Möglichkeiten
können auch gemischt angewendet werden, so daß ein unterhalb und ein oberhalb des
Filterdurchlaßbereiches liegender Dämpfungspol entsteht.
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Bei dem in der F i g. 2 gezeichneten Ausführungsbeispiel erfolgt die
Verkopplung der Resonatoren über Koppelelemente, die unterschiedlichen Schwingungsformen
unterworfen sind. Die Anordnung der einzelnen Resonatoren ist dabei so gewählt,
daß die Längsachsen der Resonatoren 2, 3, 5 und 6 in einer Ebene liegen, während
die Längsachsen der Resonatoren 1, 4 und 7 in einer darunterliegenden Ebene liegen.
Dadurch entsteht ein Filteraufbau in der Weise, daß die mittleren Längsachsen der
einzelnen Resonatoren zueinander parallel liegen und daß die mittlere Längsachse
zumindest eines Resonators außerhalb der Ebene liegt, die von den mittleren Längsachsen
der diesem Resonator in der mechanischen Wirkungsweise unmittelbar benachbarten
Resonatoren gebildet ist. Durch die elektrostriktiv wirkenden Wandlersysteme W werden
die Resonatoren zu Biegeschwingungen angeregt, die in Richtung der an ihren Stirnseiten
eingezeichneten Doppelpfeile verlaufen. Da die Koppelelemente 12 in der Schwingungsebene
liegen, werden sie auf Zug und Druck beansprucht, d. h., sie wirken als Längskoppler.
Die Koppelelemente 12' liegen jedoch in der zur Schwingungsrichtung senkrechten
Richtung und werden je nach ihrer Länge entweder auf Biegung oder auf Scherung beansprucht.
Bei einer geringen Länge werden die Koppelelemente 12' nahezu ausschließlich auf
Scherung beansprucht, während sie mit größer werdender Länge immer mehr auf Biegung
beansprucht werden und schließlich als reine Biegekoppler wirken. Die der Erzeugung
von Dämpfungspolen dienenden zusätzlichen Koppelelemente 13 verbinden die Resonatoren
1 und 4 bzw. 4 und 7. Für ihre Wirkungsweise gelten die beim Ausführungsbeispiel
1 bereits gegebenen Erläuterungen. Da die Koppelelemente 13 in F i g. 2 in einer
zu den Resonatorachsen parallelen Ebene angeordnet sind, ergibt sich eine besonders
leichte Zugänglichkeit beim mechanischen Zusammenbau des Filters.
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Allgemein läßt sich für die in den F i g.1 und 2 gezeichneten Ausführungsbeispiele
sagen, daß die Lage der Dämpfungspole von der Stärke und dem Phasenmaß der Zusatzkopplung
abhängig ist. Die Stärke wird durch die Querschnittsfläche, die Länge und den Ort
der Befestigung am Schwinger bestimmt, das Phasenmaß durch die Länge und den Ort
der Befestigung der Koppelleitung am Schwinger. Beim Biegekoppler ist es hierbei
als besonders vorteilhaft anzusehen, daß in vielen Fällen eine weitgehend freizügige
Wahl des Phasenmaßes ohne nennenswerte räumliche Beschränkung möglich ist, da sich
nämlich das Phasenmaß durch den Querschnitt des Kopplers mitbestimmen läßt. Bei
Filtern jedoch, deren Durchlaßbereich bei verhältnismäßig tiefen Frequenzen liegt
(beispielsweise etwa 5 bis 50 kHz) ist das Phasenmaß wegen der geringen Abstände
der Resonatoren meist ,kleiner als 180°. Aus diesem Grund werden bei den gezeigten
Ausführungsbeispielen die Zusatzkopplungen 13 derart an den Resonatoren befestigt,
daß sie die Ebene der Schwingungsknoten 14 schneiden, da sich nämlich in der Ebene
der Schwingungsknoten das Vorzeichen des Ausschlages der Biegeschwingung umkehrt.
Bei entsprechend hohen Frequenzen läßt sich eine gegenphasige Verkopplung auch durch
die zusätzliche Verkopplung gleichphasig schwingender Abschnitte erreichen, da nämlich
die zusätzlichen Koppelelemente 13 für verhältnismäßig hohe Frequenzen ein Phasenmaß
von mehr als 180° wegen der den höheren Frequenzen entsprechenden kürzeren Wellenlängen
annehmen.